Estudio de las condiciones de seguridad existentes en un túnel carretero en caso de incendio

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(1)ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO. FEBRERO 2018. TRABAJO FIN DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE GRADUADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES. Gonzalo Domingo Calvo DIRECTOR DEL TRABAJO FIN DE GRADO:. Alberto Fraile Javier Fernández.

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(3) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO. RESUMEN El presente Trabajo de Fin de Grado (TFG) tiene como objetivo el análisis de la influencia de la estrategia de ventilación en la seguridad ante incendio de un túnel carretero mediante la aplicación de la Metodología de análisis de riesgo en túneles de la Red de Carreteras del Estado del Ministerio de Fomento del Gobierno de España donde se compara el túnel de estudio con un túnel virtual de referencia provisto del equipamiento de seguridad requerido para un túnel de su categoría según el Real Decreto 635/2006. A partir de ahora en este documento se usará la terminología Método General para referirse a esta metodología. Se comienza analizando el túnel de estudio, una construcción de 3168 metros de longitud con un carril en cada sentido y provista de cinco galerías de escape a lo largo de su recorrido conectadas con el exterior sin ningún tipo de compuerta o barrera que impida la salida del aire del interior del túnel por ellas.. Figura 1: Plano longitudinal y planta del túnel de estudio. Fuente: Empresa explotadora del túnel.. En caso de incendio, la estrategia de este túnel consiste en expulsar los humos por una de las bocas, en función de la posición del foco del incendio; si se produce entre la boca A y los primeros 500 metros, los humos son arrastrados hacia la boca A, mientras que si se produce de esa posición en adelante se expulsan por la boca B. Este tipo de estrategia no se corresponde con la recomendada por la Asociación Mundial de Carreteras (PIARC) para un túnel bidireccional, ya que los usuarios detenidos entre el foco del incendio y la boca de expulsión de los humos corren grave peligro de ser alcanzados por la nube de contaminantes, resultando en importantes problemas de salud o incluso la muerte. En los túneles con doble sentido de circulación, PIARC recomienda seguir una estrategia de ventilación basada en el control de los humos durante los primeros instantes del suceso mediante el mantenimiento de la nube de humos en las cercanías del foco, permitiendo la evacuación de los usuarios atrapados en el interior sin que sean alcanzados. El Método General establece un procedimiento basado en la integración de tres modelos que tratan de reproducir un determinado aspecto del riesgo del túnel para después GONZALO DOMINGO CALVO. 1.

(4) RESUMEN cuantificar el riesgo del túnel analizado, estos modelos son el modelo de riesgo, el modelo de ventilación y el modelo de evacuación de usuarios. El modelo de riesgo trata de evaluar el riesgo de accidente que evolucione en una situación de incendio en función de las características de diseño, equipamiento de seguridad y explotación; para ello se contemplan una serie de escenarios desencadenantes de incendios en el interior del tubo y se parametrizan mediante factores en función de las características del túnel. El modelo de ventilación simula el comportamiento de la ventilación del túnel para cada uno de los escenarios de incendio contemplados en el modelo de riesgo. En túneles con ventilación forzada se emplea un modelo unidimensional de ventilación realizado con un programa auxiliar de modelización, en el caso de este trabajo se emplea CAMATT 2.20 junto con Matlab para el procesado de los datos. Por último, el modelo de evacuación de usuarios trata de predecir el comportamiento de los usuarios para evacuar el túnel en cada uno de los escenarios estudiados y, junto al modelo de ventilación, permiten determinar el número de usuarios afectados en cada escenario de incendio. Para ello lograr la integración con el modelo de ventilación, se ha desarrollado el modelo de evacuación también en Matlab. La aplicación del Método General finaliza con la obtención de un índice de riesgo del túnel estudiado, dicho índice se obtiene del cociente entre los coeficientes de riesgo del túnel de estudio y el túnel de referencia con las medidas de seguridad requeridas. En la siguiente tabla se encuentra la clasificación del túnel en función de su índice de riesgo: Túneles seguros. IR < 1.15. Túneles con posibles restricciones. 1.15 < IR < 1.50. Túneles con peligrosidad elevada. IR > 1.50. Tabla 1: Criterio de seguridad en túneles según índice de riesgo. Elaboración propia.. Una vez aplicado el Método General al túnel de estudio se concluye que no puede ser considerado como un túnel seguro ya que su índice de riesgo tiene un valor de 3.584, debido a que, como se ha mencionado anteriormente, la estrategia de ventilación no es la adecuada para un túnel de sus características. Como se observa en la siguiente imagen, las trayectorias de evacuación de los usuarios situados a la derecha del foco cortan la nube de humos, pasando a considerarse como víctimas según el método aplicado.. Figura 2: Túnel en estado actual. Escenario 4. Representación de líneas de evacuación sobre nivel de opacidad. Elaboración propia.. 2. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(5) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO Tras esto, se realizó el mismo análisis pero empleando la estrategia de ventilación recomendada por PIARC con el objetivo de cuantificar la influencia de la ventilación en la seguridad del túnel. Este nuevo análisis arroja el mismo resultado que el anterior, debido a la existencia de galerías de escape conectadas con el exterior los ventiladores de chorro no son capaces de cumplir su función correctamente y controlar la nube de humos. El índice de riesgo obtenido para este caso es idéntico al anterior (3.584).. Figura 3: Túnel real con ventilación PIARC y galerías abiertas. Escenario 4. Representación de líneas de evacuación sobre nivel de opacidad. Elaboración propia.. Por último se decidió realizar la simulación del túnel con la ventilación recomendada por PIARC y las galerías cerradas para comprobar si de esta manera era posible considerar el túnel como seguro. Como se observa en la siguiente imagen, en esta ocasión los humos son mantenidos inicialmente en las proximidades del incendio mientras los usuarios escapan sin ser alcanzados por ellos. El índice de riesgo obtenido en esta ocasión es de 1.083, por lo que la decisión de cerrar las galerías de escape y emplear la estrategia de PIARC significaría un aumento considerable de la seguridad de los usuarios ante este tipo de situaciones.. Figura 4: Túnel real con ventilación PIARC y galerías abiertas. Escenario 4. Representación de líneas de evacuación sobre nivel de opacidad. Elaboración propia.. Los resultados obtenidos para el resto de los cinco escenarios propuestos son iguales a los anteriores, únicamente con las galerías cerradas es posible llevar a cabo la estrategia de PIARC y no provocar más víctimas que las de los vehículos implicados en el accidente. En conclusión, la realización de este tipo de análisis resulta fundamental para el desarrollo, construcción y actualización de este tipo de infraestructuras tan empleadas diariamente en todo el mundo en las que la seguridad de los usuarios ha de ser predominante. Palabras clave: análisis de riesgo, evacuación, incendio, PIARC, seguridad, simulación, túnel, ventilación. GONZALO DOMINGO CALVO. 3.

(6) CÓDIGOS UNESCO:. CÓDIGOS UNESCO: 120207 Ecuaciones en Diferencias 120220 Ecuaciones Diferenciales en derivadas parciales 120326 Simulación 220404 Mecánica de Fluidos 220405 Gases 221032 Termodinámica 330506 Ingeniería Civil 330528 Regulaciones, Códigos y Especificaciones 330535 Túneles 331102 Ingeniería de Control 331301 Ventiladores 610901 Prevención de Accidentes. 4. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(7) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO. ÍNDICE RESUMEN ........................................................................................................................................................................................................1 CÓDIGOS UNESCO: ............................................................................................................................................................................... 4 1 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................................................................... 7 2 ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................................................................................ 9 2.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................................... 9 2.2. SEGURIDAD EN TÚNELES.......................................................................................................................................... 10 2.3. SISTEMAS DE VENTILACIÓN EN TÚNELES Y ESTRATEGIAS DE VENTILACIÓN.................. 12 2.3.1. VENTILACIÓN LONGITUDINAL ................................................................................................................................ 12 2.3.1.1. Natural................................................................................................................................................................................................ 12 2.3.1.2. Natural con pozo ...................................................................................................................................................................... 13 2.3.1.3. Ventiladores en pozo ............................................................................................................................................................ 13 2.3.1.4. Ventiladores de chorro ........................................................................................................................................................ 14 2.3.1.5. Ventiladores en pozo y en túnel .................................................................................................................................. 15. 2.3.2. VENTILACIÓN SEMITRANSVERSAL ................................................................................................................... 15 2.3.2.1. De inyección de aire fresco ............................................................................................................................................. 16 2.3.2.2. De extracción de aire viciado ........................................................................................................................................ 17. 2.3.3. VENTILACIÓN TRANSVERSAL................................................................................................................................ 18 2.3.4. SISTEMAS MIXTOS ....................................................................................................................................................... 19 2.3.5. ESTRATEGIAS DE VENTILACIÓN ........................................................................................................................ 20 2.3.5.1. Sistema longitudinal............................................................................................................................................................ 21 2.3.5.2. Túnel unidireccional con tráfico fluido ............................................................................................................... 21 2.3.5.3. Túnel bidireccional o con tráfico denso ............................................................................................................ 22 2.3.5.4. Sistemas semitransversal y transversal ......................................................................................................... 22 2.3.5.5. Sistema longitudinal con extracción .................................................................................................................. 23. 2.4. MODELOS NUMÉRICOS DE VENTILACIÓN (PERMANENTE Y TRANSITORIO) .................... 23 2.4.1. MODELO EN RÉGIMEN PERMANENTE............................................................................................................ 23 2.4.2. MODELO EN RÉGIMEN TRANSITORIO ........................................................................................................... 24. 3 METODOLOGÍA Y HERRAMIENTAS DE CÁLCULO.............................................................................................. 28 3.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................................ 28 3.2. METODOLOGÍA .................................................................................................................................................................. 28 3.2.1. MODELO DE RIESGO .................................................................................................................................................... 28 3.2.1.1. Descripción de los escenarios ...................................................................................................................................... 29. 3.2.2. MODELO DE VENTILACIÓN...................................................................................................................................... 31 3.2.3. MODELO DE COMPORTAMIENTO DE USUARIOS .................................................................................. 32 3.2.3.1. Fundamento teórico............................................................................................................................................................. 33. 3.3. HERRAMIENTAS DE CÁLCULO .............................................................................................................................. 38 3.3.1. CAMATT Y HERRAMIENTA DE POSTPROCESADO EN MATLAB ..................................................... 38 3.3.1.1. Ecuaciones resueltas por camatt ............................................................................................................................. 39. 3.3.2. MODELO DE EVACUACIÓN DE USUARIOS CON MATLAB ................................................................ 44. 4 CASO DE APLICACIÓN ................................................................................................................................................................ 48 4.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................................ 48 4.2. TÚNEL DE ESTUDIO. DESCRIPCIÓN .................................................................................................................. 48 4.3. SIMULACIÓN CON EL EQUIPAMIENTO Y ESTRATEGIA ACTUALES ............................................. 49 4.3.1. ESTRATEGIA DE VENTILACIÓN ACTUAL ......................................................................................................... 49 4.3.2. POSICIONAMIENTO DEL INCENDIO ................................................................................................................. 50 4.3.3. SIMULACIÓN ..................................................................................................................................................................... 52 4.3.4. RESULTADOS.................................................................................................................................................................... 54 GONZALO DOMINGO CALVO. 5.

(8) 4.4. PROBLEMAS DE SEGURIDAD ACTUALES ...................................................................................................... 55 4.5. PROPUESTA DE CAMBIOS EN EL EQUIPAMIENTO Y ESTRATEGIA ACTUALES .................. 56 4.6. SIMULACIONES CON TÚNEL MODIFICADO ................................................................................................. 56 4.6.1. ESTRATEGIA DE VENTILACIÓN SEGÚN PIARC .......................................................................................... 56 4.6.2. SIMULACIÓN ......................................................................................................................................................................57 4.6.3. RESULTADOS ................................................................................................................................................................... 58. 5 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS. DETERMINACIÓN ÍNDICE DE RIESGO .................................... 61 5.1. DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE RIESGO .................................................................................................... 61 5.1.1. PROBABILIDAD DE LOS ESCENARIOS ............................................................................................................... 61 5.1.2. NÚMERO DE PERSONAS ATRAPADAS ............................................................................................................ 62 5.1.3. FACTOR CORRECTOR DEL ÍNDICE DE RIESGO ......................................................................................... 65 5.1.3.1. Factor corrector por criterios geométricos ....................................................................................................... 65 5.1.3.2. Factor corrector por criterios de equipamiento .......................................................................................... 66 5.1.3.3. Factor corrector por criterios de explotación .................................................................................................67 5.1.3.4. Factores correctores .............................................................................................................................................................67. 5.1.4. OBTENCIÓN DEL COEFICIENTE DE RIESGO .............................................................................................. 68 5.1.5. OBTENCIÓN DEL ÍNDICE DE RIESGO ............................................................................................................... 68 5.2. ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................................................................................................... 69. 6 CONCLUSIONES................................................................................................................................................................................72 7 LÍNEAS FUTURAS .............................................................................................................................................................................75 8 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................................................................................... 77 8.1.. NORMATIVA: ........................................................................................................................................................................ 77. 9 PLANIFICACIÓN TEMPORAL DEL PROYECTO ........................................................................................................ 78 9.1. 9.2. 9.3.. ESTRUCTURA DE DESCOMPOSICIÓN DEL PROYECTO ....................................................................... 78 DIAGRAMA DE GANTT ...................................................................................................................................................79 PRESUPUESTO ................................................................................................................................................................... 81. 10 IMPACTO DEL PROYECTO ..................................................................................................................................................... 82 10.1. 10.2. 10.3.. IMPACTO ECONÓMICO ............................................................................................................................................... 82 IMPACTO ÉTICO ................................................................................................................................................................ 82 IMPACTO MEDIOAMBIENTAL ................................................................................................................................. 83. 11 ABREBIATURAS, UNIDADES Y ACRÓNIMOS ........................................................................................................ 84 11.1. 11.2.. ABREVIATURAS ................................................................................................................................................................ 84 ACRÓNIMOS ....................................................................................................................................................................... 84. 12 GLOSARIO ............................................................................................................................................................................................ 85 13 ANEXO .................................................................................................................................................................................................... 86 13.1. FUNCIONES DE MATLAB ........................................................................................................................................... 86 13.1.1. HERRAMIENTA DE POSTPROCESADO ............................................................................................................ 86 13.1.2. MODELO DE EVACUACIÓN DE USUARIOS ................................................................................................. 87 13.1.3. RESULTADOS DE SIMULACIONES .................................................................................................................... 91. 6. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(9) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO. 1 INTRODUCCIÓN Este proyecto se engloba en el marco de la ventilación en túneles carreteros, concretamente en aspectos referentes a las situaciones de emergencia en casos graves de incendio. La tendencia natural de construir carreteras cada vez más seguras, con menos curvas y recorridos más simples, implica el uso de esta clase de infraestructura; por lo que el estudio de las diferentes situaciones accidentales que puedan surgir en su interior durante su vida en servicio resulta de gran interés. De todos los posibles accidentes que pueden ocurrir en el interior de un túnel, sin duda alguna el más grave y peligroso es el de incendio, debido a las fatales consecuencias posibles, además del impacto sobre las personas que puede tener la transcendencia del mismo. Sin embargo, aunque este tipo de sucesos no se producen con frecuencia, la tasa media de ocurrencia está en torno a 1-2 incendios por cada 108 vehículos ligeros y Km1, es necesario tomar conciencia sobre el problema y trabajar en los protocolos de seguridad para que, en caso de accidente, los daños personales sean los menores posibles. La historia reciente ha dejado escenas fatales como los accidentes acaecidos en MontBlanc (Francia-Italia), Tauern (Austria) o San Gotardo (España), los dos primeros en 1999 y el último en 2001 con un balance de 39, 4 y 11 víctimas respectivamente; escenas que muestran el verdadero peligro de los incendios en lugares cerrados y que reabrieron la discusión sobre la seguridad de túneles y las medidas pertinentes a adoptar. Uno de los temas destacables en cuanto a la prevención de sucesos como los anteriormente citados es el tránsito de vehículos con mercancías peligrosas; en una encuesta internacional realizada entre 1996 y 2001 por la Organización de Cooperación y de Desarrollo Económico (OCDE) y la Asociación Mundial de Carreteras (PIARC)2 puso en evidencia una gran variedad de reglamentos en relación al transporte de mercancías peligrosas a través de túneles, ya que las restricciones mostraron variaciones considerables de un país a otro e incluso dentro de un mismo país. Por ello, la OCDE y la PIARC propusieron una reglamentación armonizada que fue desarrollada en profundidad con la Comisión Económica para Europa de Naciones Unidas (CEE de la ONU) y que fue puesta en práctica en Europa en las revisiones de 2007 y posteriores del Acuerdo europeo sobre el transporte internacional de mercancías peligrosas por carretera (ADR)3. El ejemplo anterior es solo una muestra de la importancia de una regulación y unos protocolos de seguridad uniformes internacionalmente a la hora de construir y operar en este tipo de infraestructura. Hoy en día, la seguridad ante incendios en túneles se basa en la adecuada gestión de los humos por parte del sistema de ventilación y la existencia de dispositivos complementarios como refugios, galerías de escape, sistemas de detección, etc. Estos factores se dan por supuestos en las nuevas construcciones, sin embargo, en el territorio europeo existe una gran cantidad de túneles que carecen de las medidas necesarias para considerarse seguros en casos extremos. GONZALO DOMINGO CALVO. 7.

(10) INTRODUCCIÓN El objeto de este trabajo es el análisis de las estrategias de ventilación a seguir en caso de incendio y su aplicación mediante el estudio de un caso real empleando el software CAMATT validado por el Centre d’Etudes des Tunnels (CETU)4 del Ministerio de la Transición Ecológica y Solidaria del Gobierno de Francia5 y usado por ingenieros y calculistas en toda Europa. En particular, el análisis se realizará mediante el uso del Método General11 del Ministerio de Fomento del Gobierno de España basado en la aplicación conjunta de tres modelos, de riesgo, de ventilación y de evacuación de usuarios; cuyo resultado es un valor que cuantifica la seguridad ante incendio del túnel estudiado. En el Capítulo 2 se hace una explicación sobre seguridad y sistemas de ventilación en el interior de un túnel, clasificando estos sistemas en función de la forma en la que se mueve el aire por el interior del túnel. El Capítulo 3 se centra en la metodología, así como de las herramientas utilizadas y desarrolladas para llevar a cabo el caso de aplicación real del Capítulo 4, donde se resumen las simulaciones realizadas y algunos de los resultados obtenidos. En el Capítulo 5 se lleva a cabo el análisis de riesgo del túnel de estudio empleando los resultados obtenidos de las simulaciones del Capítulo 4.. Para finalizar, los capítulos 6 y 7 incluyen las conclusiones del presente trabajo y los desarrollos futuros, respectivamente; y el resto de Capítulos posteriores corresponden a la planificación, bibliografía, índices complementarios y anexo.. 8. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(11) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO. 2 ESTADO DEL ARTE 2.1. INTRODUCCIÓN Los túneles están presentes en la mayoría de los trayectos que se realizan por carretera y por algunas vías urbanas, además de los recorridos mediante ferrocarril en sistemas habituales como las redes de Metro o Cercanías; y para el usuario no existen mayores diferencias entre unos y otros, sin embargo, para todas las personas involucradas en el proyecto, ya sea en la construcción, mantenimiento, seguridad o explotación las diferencias son enormes, basta con observar las distintas condiciones en las que opera cada uno de ellos6: - Los túneles de carretera donde se presenta un tráfico compuesto de gran número de vehículos de pequeñas dimensiones, lo que crea la necesidad de estudiar su comportamiento con modelos tanto macro como microscópicos, en los que las emisiones de los vehículos suponen la situación habitual de servicio del túnel y el caso de incendio depende en gran medida del tipo de vehículos que circulan por el túnel. - Los túneles urbanos con características similares a los anteriores pero con peculiaridades en cuanto al tráfico (retenciones aún con circulación en un sólo sentido, un porcentaje de vehículos pesados menor) y geometría (reducidísimo espacio para las instalaciones). - Los túneles de ferrocarril que presentan una circulación determinista y muchas veces regular, con vehículos de gran longitud y pequeño número pero gran cantidad de viajeros a socorrer en caso de incendio. - Los túneles de metro o trenes suburbanos con características similares pero que presentan en toda su red, incluidas las estaciones, una permanencia continua bajo tierra con los riesgos consiguientes. - Los funiculares o trenes especiales de alta montaña con escasas instalaciones por el reducido espacio y la gran antigüedad de los mismos. - Otros tipos de túneles como los “people mover” de los aeropuertos que permiten el desplazamiento de equipajes, viajeros y asistencias bajo las pistas hasta zonas alejadas de embarque al avión sin interferir con el tráfico de superficie. Tras esto se deduce que no es posible generalizar en el estudio de los túneles debido a las diferentes características de cada uno de ellos, ya que en ocasiones es necesario utilizar soluciones específicas. Por ello, en los apartados posteriores se tratará esencialmente el caso de túnel carretero, del que se podrán extraer conceptos para los túneles urbanos.. GONZALO DOMINGO CALVO. 9.

(12) ESTADO DEL ARTE. 2.2. SEGURIDAD EN TÚNELES Debido a factores como el incremento de atención del usuario por encontrarse en un lugar distinto, la ausencia de acciones climatológicas adversas o la homogeneidad de las condiciones de visibilidad, el número de accidentes que se producen en túneles es menor que a cielo abierto; sin embargo, la transcendencia alcanza un rango mayor a causa del efecto amplificador de los daños al concentrar a un gran número de usuarios en un lugar cerrado. De todos los posibles incidentes que pueden ocurrir en un túnel, el incendio es el que suele producir mayores daños, tanto físicos como materiales; y aunque muchos se producen por la combustión espontánea de la carga del vehículo, doce de los catorce peores incendios, en cuanto a daños inmediatos y tiempo de reparación, fueron provocados por un accidente. El párrafo anterior ilustra que los errores humanos son la causa fundamental de accidentes en el interior de un túnel y, por ello, cualquier actuación por parte de las autoridades competentes ha de ir enfocada a la prevención y la reducción de consecuencias. Siguiendo este enfoque, las medidas deberían buscar los siguientes objetivos: - Salvamento de los usuarios del túnel (por la propia actuación de los usuarios y de los sistemas y servicios de emergencia). - Protección de la infraestructura limitando los daños sufridos. - Protección del medio ambiente. Figura 5: Frentes de actuación para la mejora de la seguridad en túneles. Elaboración propia.. En este sentido el Comité de Expertos de la Comisión Económica para Europa de Naciones Unidas ha propuesto cuatro frentes de actuación reflejados en la Figura 5 para abordar la problemática de la seguridad en los túneles de carretera7. Sin embargo, desde el lado ingenieril, los instrumentos disponibles para alcanzar estos objetivos son esencialmente la concepción de una obra civil enfocada hacia la seguridad, el desarrollo y la implantación de instalaciones con la mejor técnica existente y a la definición de unos criterios de explotación oportunos.. 10. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(13) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO. Figura 6: Elementos de un túnel que inciden en la seguridad del usuario. Elaboración propia.. La concordancia resultante de la correcta combinación de estos factores debe asegurar unas condiciones de seguridad óptimas; mientras que la disminución de alguno de ellos es difícilmente compensable por los otros. Como se verá mas adelante, la presencia de unos potentes equipos de ventilación en ocasiones no es capaz de compensar la ausencia de un protocolo de actuación correcto. Aunque la práctica habitual consiste en el desarrollo de la obra civil para después pasar a definir las instalaciones necesarias y por último los criterios de actuación, es evidente que un planteamiento inicial de las necesidades de estos tres pilares en conjunto permite el diseño de infraestructuras más balanceadas y que no requieren la compensación de los defectos anteriores con el último pilar. A causa de la dificultad de englobar todos los factores que intervienen en la seguridad se ha centrado el análisis en los criterios de explotación en cuanto a sistemas de ventilación. La ventilación es un agente fundamental de la vida en servicio de un túnel, tanto en su funcionamiento normal como en caso de incendio. Su función durante el servicio es mantener los niveles de contaminantes (CO, NO2 y opacidad) bajo unos límites admisibles para garantizar unos niveles de confort y seguridad adecuados para el usuario, a través de algoritmos de control que tienen en cuenta las capacidades de la instalación y las condiciones existentes en cada instante dentro del túnel. Para lograr lo anteriormente expuesto es necesario emplear procedimientos de control robustos y fiables a la vez que dirigidos a la reducción de los gastos de explotación. Ya que el equilibrio entre estos objetivos es difícil de pronosticar teóricamente, resulta imprescindible que el sistema sea parametrizable, de manera que sea posible configurarlo a partir de la experiencia recogida durante la fase de puesta en marcha y el propio servicio del túnel. Contrariamente, en caso de incendio el propósito principal es el control de la nube de humos para permitir la evacuación de los usuarios presentes en el interior y posteriormente facilitar la entrada de los servicios de emergencia para la extinción del incendio. Además, otros elementos como galerías de escape o refugios presurizados que han de posibilitar la permanencia en su interior de un cierto número de personas durante. GONZALO DOMINGO CALVO. 11.

(14) ESTADO DEL ARTE un tiempo indefinido deben también estar ventilados e impedir la entrada de los humos en situación de incendio. Para lograr estos objetivos es preciso definir principios de actuación sobre los distintos sistemas de ventilación disponibles.. 2.3. SISTEMAS DE VENTILACIÓN EN TÚNELES Y ESTRATEGIAS DE VENTILACIÓN Este apartado trata sobre los distintos sistemas de ventilación principal que se pueden implantar en un túnel y las principales estrategias de funcionamiento7. La ventilación principal es aquella cuyo objetivo es garantizar las condiciones de explotación en servicio y de seguridad en caso de incendio en el interior del túnel, indiferentemente de si su instalación se encuentra en el tubo principal o en estaciones de ventilación secundarias. Junto a este tipo de ventilación puede existir ventilación auxiliar si las características del túnel lo requieren, es la que ha de garantizar los niveles de confort y seguridad en los elementos anexos al túnel; activándose principalmente durante los episodios de incendio. Pese a que en numerosas ocasiones sea posible mantener una atmósfera saludable usando únicamente el tiro natural del aire, es necesario un sistema de ventilación forzada para situaciones de tráfico intenso, incendio o para mantener los niveles de contaminantes bajo los límites legales. Así pues, los sistemas de ventilación forzada se pueden clasificar en sistemas dotados de medios de evacuación de los humos (ventilación transversal y semitransversal) y sistemas donde en vez de ser extraídos, son movidos y dirigidos por el mismo área que el tráfico (ventilación longitudinal). Los primeros resultan más seguros y eficaces, sin embargo requieren la construcción de conductos auxiliares, normalmente dispuestos como falso techo, lo que incrementa considerablemente el coste de la obra. Algunos de los sistemas más usados en la industria se detallan a continuación:. 2.3.1. VENTILACIÓN LONGITUDINAL En sistemas de ventilación longitudinal el aire circula en el mismo espacio que los vehículos. La corriente de aire puede estar impulsada por ventiladores o simplemente moverse gracias a las condiciones naturales del túnel. Dentro de la ventilación longitudinal se pueden diferenciar los siguientes tipos de sistemas:. 2.3.1.1. Natural No corresponde propiamente a un sistema de ventilación, ya que no se disponen de equipos. Con este tipo de sistema, la dilución de contaminantes se produce únicamente por efectos meteorológicos o del tráfico, los cuales crean una corriente lo suficientemente elevada en el túnel (Figura 7). Suele emplearse solamente en túneles muy cortos (no superior a 300 metros) ya que no existe ningún control sobre la ventilación en caso de accidente. 12. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(15) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO. Figura 7: Ventilación longitudinal natural. Elaboración propia.. 2.3.1.2. Natural con pozo Este sistema, prácticamente en desuso, es muy similar al longitudinal natural pero se potencia el efecto atmosférico creando un pozo de ventilación gracias al cual parte del aire viciado se extrae del túnel (Figura 8). De esta forma, es posible incrementar la longitud del túnel permitida para unos mismos niveles de contaminación admisibles. Sin embargo, en caso de algunas circunstancias meteorológicas pueden aparecer funcionamientos incorrectos del sistema.. Figura 8: Ventilación natural con pozo intermedio. Elaboración propia.. 2.3.1.3. Ventiladores en pozo Partiendo del concepto anterior, este sistema permite el control correcto del flujo de aire con contaminantes en la dirección deseada. Es posible tener configuraciones en las que a través del pozo se sople aire fresco o se aspire aire viciado. En cualquier caso, el segundo tipo es más favorable ya que evita las molestias de un fuerte chorro en la mitad del túnel y en zonas urbanas no sale aire contaminado a través de las bocas (Figura 9), que cada vez se está convirtiendo en un criterio de proyecto más importante en los países desarrollados. Las concentraciones máximas que pueden darse son función de la razón de caudales entre el pozo y el túnel. Con condiciones de equilibrio entre bocas es posible duplicar la longitud del túnel pero en condiciones adversas se pueden obtener funcionamientos no adecuados.. GONZALO DOMINGO CALVO. 13.

(16) ESTADO DEL ARTE. Figura 9: Ventilación longitudinal forzada con ventiladores en el pozo. Elaboración propia.. 2.3.1.4. Ventiladores de chorro En este tipo de túneles se disponen ventiladores de chorro situados a lo largo del túnel los cuales generan una corriente longitudinal de aire en el mismo (Figura 10). Este tipo de ventilación está especialmente indicado para túneles con sentido único de circulación incluso para grandes longitudes, donde se procede a la impulsión de los humos aguas abajo del incendio, permitiendo a los usuarios escapar a la vez que facilita la llegada de los equipos de socorro por la zona limpia del túnel.. Figura 10: Ventilación longitudinal con ventiladores de chorro. Elaboración propia.. Sin embargo, en túneles bidireccionales esta solución no es adecuada puesto que se estaría invadiendo con humos calientes y contaminados a los usuarios de una de las partes. En este caso es muy conveniente que los ventiladores sean de tipo reversible para facilitar el control de los humos en caso de incendio. La actuación recomendada es mantener la velocidad tan baja como sea posible con el fin de no romper la estratificación y permitir la evacuación de los pasajeros a ambos lados del siniestro. Su gran ventaja es un reducido coste tanto inicial como de explotación. En cuanto a la sección transversal la disposición más habitual es la mostrada en la Figura 11a. Sin embargo, en zonas urbanas pueden encontrarse muy diversas: con pasarelas longitudinales (Figura 11b) que facilitan las labores de mantenimiento, situados en nichos laterales (Figura 11c) en casos en los que el gálibo horizontal es muy reducido, etc.. 14. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(17) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO. (a). (b). (c) Figura 11: Sección transversal en túneles con ventilación longitudinal.. 2.3.1.5. Ventiladores en pozo y en túnel Con este sistema, las longitudes de los túneles pueden ser superiores que en el caso anterior, gracias a los pozos intermedios de evacuación. En la Figura 12 se muestra la actuación de emergencia en este caso, donde los ventiladores aguas abajo del incendio se hacen trabajar en sentido inverso para impedir la propagación de los humos en ese sentido. Con este recurso se puede equipar túneles de elevadas longitudes con sistemas longitudinales, de menor coste que los transversales. Es el caso del túnel japonés de Kant-etsu, de 10926 metros de longitud, donde se han obtenido buenos resultados de explotación tanto en condiciones normales como de incendio, gracias a un software especialmente preparado para el control de la ventilación. Está dotado de dos pozos verticales y 5 estaciones de precipitación electrostática para reducir la concentración de partículas sólidas. El túnel principal está conectado al túnel piloto mediante galerías cada 350 m.. Figura 12: Longitudinal con ventiladores en el pozo y aceleradores de chorro. Elaboración propia.. 2.3.2. VENTILACIÓN SEMITRANSVERSAL En los túneles provistos de un sistema de ventilación semitransversal, se actúa en situación de emergencia eliminando el humo por aspiración en la zona afectada, mientras. GONZALO DOMINGO CALVO. 15.

(18) ESTADO DEL ARTE que se crea un efecto de concentración de la masa contaminada mediante la impulsión de aire fresco desde las zonas alejadas del incendio. Dentro de este sistema de ventilación, se pueden dar dos variantes en función del funcionamiento normal del sistema de ventilación en situación de servicio:. 2.3.2.1. De inyección de aire fresco Con este tipo de ventilación se pretende dar a cada zona del túnel la cantidad de aire fresco necesario para diluir los contaminantes que allí se producen. El aire fresco se introduce a lo largo de todo el túnel a través de una serie de aberturas que comunican un conducto auxiliar con el túnel. El conducto auxiliar habitualmente va situado en un falso techo del túnel (Figura 13). El aire contaminado sale a través de las bocas.. Figura 13: Ventilación semitransversal de inyección de aire fresco en servicio. Elaboración propia.. Para prevenir el caso de incendio este tipo de ventilación puede estar preparada para invertir el sentido del aire y pasar a una aspiración a lo largo del túnel o en zonas localizadas. En este caso se denomina semitransversal reversible (Figura 14). Sus principales inconvenientes son la dificultad en el control de la corriente longitudinal y los tiempos de inversión en caso de incendio que, para grandes equipos de ventilación, difícilmente pueden estar por debajo de los dos o tres minutos.. Figura 14. Ventilación semitransversal de inyección de aire fresco en incendio. Elaboración propia. 16. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(19) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO Se suelen utilizar trampillas telecomandadas de gran tamaño con posibilidad de abrirlas y cerrarlas de forma selectiva en función de la evolución del incendio y desechando otros mecanismos de apertura que impiden el cierre una vez se han abierto (por ejemplo liberando un relé que deja caer la trampilla por gravedad). Algunos autores han estudiado en detalle el comportamiento de las trampillas valiéndose de ensayos con modelos físicos. Como resultado se puede establecer la distancia de colocación más efectiva entre 50 y 100 m. Dimensiones habituales de estas están en torno a 1.5 m2, y las velocidades de extracción pueden llegar hasta los 20 m/s. Un claro ejemplo de ventilación semitransversal reversible se da en el túnel de Somport. Dicho túnel comunica Francia y España por Los Pirineos y tiene una longitud de 8608 m. El sistema de ventilación está organizado en siete cantones de unos 1200 m. de longitud aproximadamente cada uno, dos del lado francés y cinco del lado español, ventilados a partir de tres estaciones: dos en las bocas y otra en posición intermedia con salida a través de un pozo de ventilación al valle de Rioseta. En la Foto 1 se puede ver el panel de control del túnel, donde se aprecia la organización en cantones.. Foto 1: Panel de control del sistema de ventilación del túnel de Somport. Fuente: Túnel de Somport.. Los conductos de ventilación se encuentran situados en el falso techo y, por ellos, circula aire limpio en condiciones normales de funcionamiento. Estos conductos tienen instalados trampillas telecomandadas además de las toberas de impulsión de aire. Como idea general, en caso de incendio se procede a la parada de ventiladores de soplado de aire limpio, a la apertura de trampillas en una longitud de 600 metros, y a la conexión del ventilador de aspiración del cantón siniestrado. El problema radica en el control de la corriente longitudinal. Para ello, se inyecta aire fresco por algunos cantones y se extrae aire por otros, con la finalidad de que en las proximidades del incendio se consiga una velocidad tan baja como sea posible. De esta manera, se consigue parar el avance del incendio mientras se están extrayendo los humos en el cantón siniestrado.. 2.3.2.2. De extracción de aire viciado Partiendo del esquema anterior se realiza la extracción a lo largo de todo el túnel aspirando el aire fresco de las bocas (Figura 15). La desventaja de este sistema es la existencia, bajo condiciones de equilibrio en la diferencia de presión entre bocas, de un punto muerto con GONZALO DOMINGO CALVO. 17.

(20) ESTADO DEL ARTE concentraciones de contaminantes crecientes. A efectos prácticos esta situación no se produce debido al desequilibrio inducido por el efecto émbolo de los vehículos.. Figura 15: Ventilación semitransversal con extracción de aire fresco. Elaboración propia.. 2.3.3. VENTILACIÓN TRANSVERSAL El sistema de ventilación transversal dispone de canales independientes de ventilación, según sean para la inyección de aire fresco o para la extracción de aire contaminado del túnel. En cada sección, el aire fresco llega al túnel, procedente del conducto de impulsión de aire, a través de rejillas situadas al nivel de la calzada o en la parte superior, y regresa al conducto de extracción por una trampilla en la misma sección. Por lo tanto, el aire dentro del túnel se mueve en sentido transversal a la circulación. El aire viciado se extrae por la parte superior del túnel para permitir la extracción de los humos en caso de incendio (Figura 16). Éste es probablemente el sistema de ventilación más completo aunque conlleva los mayores gastos tanto de instalación como de mantenimiento y explotación. Su gran inconveniente reside en la dificultad de controlar la velocidad longitudinal del aire (y por consiguiente la nube de humos en caso de incendio) en caso de fuertes diferencias de presión entre bocas, por lo que es recomendable que, para longitudes importantes, se disponga de varios tramos de ventilación independientes con los que actuar.. Figura 16: Sistema de ventilación transversal. Elaboración propia.. 18. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(21) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO. Figura 17: Sección de túnel con ventilación transversal. Elaboración propia.. El sistema de ventilación transversal puede presentar algunas variantes, como el sistema pseudotransversal en el que la cantidad de aire extraído es menor que la del aire inyectado, saliendo por las bocas la diferencia entre ambos. Esto permite reducir los gastos de explotación y de construcción al dimensionarse los conductos de extracción para un menor caudal. Sin embargo, también la capacidad del sistema de extracción en caso de incendio se ve reducida.. 2.3.4. SISTEMAS MIXTOS A la hora de llevar a la práctica estos principios las limitaciones económicas, de espacio o simplemente las peculiaridades de cada túnel obligan a buscar soluciones intermedias. Tradicionalmente, la clasificación de un sistema de ventilación venía dado por un modo de funcionamiento en servicio. Sin embargo, desde un punto de vista general habría que tener en cuenta ambas situaciones: funcionamiento en servicio y funcionamiento en incendio. Por ejemplo, una distribución de tipo longitudinal mediante aceleradores puede completarse con un sistema de extracción con trampillas telecomandadas para los casos de incendio.. Figura 18: Sistema semitransversal con aceleradores. Elaboración propia.. Por el contrario, en el nuevo túnel de Mont-Blanc se ha dispuesto de un sistema de ventilación transversal que además cuenta con aceleradores de chorro para controlar la corriente longitudinal en caso de incendio. En condiciones de servicio solamente funcionan los ventiladores axiales del sistema transversal, de tal manera que los contaminantes se diluyen en cada sección del túnel por el conducto de extracción. Al ser un túnel tan largo GONZALO DOMINGO CALVO. 19.

(22) ESTADO DEL ARTE (11600 metros) no se puede controlar el aire viciado solo con los ventiladores longitudinales, debido a que la velocidad del aire para conseguir los niveles admisibles de contaminantes en las proximidades de la boca hacia la que se sopla sería muy elevada (no hay que olvidar que los sistemas longitudinales no eliminan el aire contaminado, sino que lo empujan hacia las bocas por el interior del túnel) no admitiéndose, por lo general, velocidades superiores a los 8 o 10 m/s. Así, los aceleradores de chorro sirven para controlar la corriente longitudinal en las proximidades del foco en caso de incendio. Una vez que se ha producido el incidente, los aceleradores consiguen mantener cercana a cero la velocidad del aire dentro del túnel en las proximidades del foco, para así mantener la estratificación de la capa de humos, mientras que la ventilación transversal se encarga de extraer el humo. La disposición de los aceleradores de chorro, permite disponer de los conductos de inyección de aire fresco (situados debajo de la calzada) que en caso de incendio dejan de funcionar, y ser empleados para la evacuación de las personas, ya que están conectados con los refugios de seguridad (Figura 19). Como ya se ha comentado anteriormente, en el caso del túnel de Mont-Blanc ya tiene antecedentes sobre la peligrosidad de la falta de existencia de galerías de evacuación, ya que en el incendio de 1999 dos personas perdieron la vida al quedar atrapadas dentro de un refugio, lo que condujo a la modificación de la normativa francesa de túneles.. Refugio. Túnel. Escalera Superficie del refugio sin contar el pasillo y la escalera: 37,5 m2 Conducto de ventilación. CORTE SOBRE LA EVACUACIÓN Figura 19: Sección transversal del túnel de Mont-Blanc. Fuente: Túnel de Mont-Blenc.. 2.3.5. ESTRATEGIAS DE VENTILACIÓN Uno de los aspectos más importantes para el dimensionamiento de la ventilación de un túnel es el control de ésta, por lo que es necesario definir la forma óptima de actuar en caso de incendio; los objetivos a cumplir son los siguientes: - Mantener bajo control la nube de humos lo más lejos posible de los usuarios. Esto se puede lograr mediante su estratificación o su expulsión a gran velocidad una vez evacuadas las personas aguas abajo del incendio. - Evitar la extensión del incidente a zonas cercanas pero no implicadas en el incendio (galerías de escape, locales técnicos, otro tubo de túnel comunicado, etc.). 20. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(23) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO - Facilitar las tareas de salvamento a los equipos de rescate (tanto de personas como de bienes materiales).. 2.3.5.1. Sistema longitudinal Tal y como se explicó anteriormente en el sistema de ventilación longitudinal la velocidad del aire es la misma en toda su longitud, lo cual implica que no es posible extraer o diluir la nube de contaminantes generada durante el incendio. Generalmente en túneles unidireccionales la actuación del sistema consiste en arrastrar los humos a gran velocidad en el sentido del tráfico; de manera que los vehículos quedan detenidos aguas arriba del incendio y la nube se arrastra aguas abajo del mismo. Los vehículos que se encuentran aguas abajo continuarían su marcha y no serían alcanzados por los humos, sin embargo, esto no es posible en situación de tráfico denso ni en tráfico bidireccional.. 2.3.5.2. Túnel unidireccional con tráfico fluido En caso de incendio en un túnel unidireccional cuando su sistema de ventilación es longitudinal y el tráfico es fluido, la manera óptima de evacuar el humo es empujarlo a lo largo del túnel hacia el exterior. Mientras que no exista pendiente en el túnel, el humo tiende a propagarse de igual manera en ambas direcciones a causa de los efectos de flotabilidad. Para alcanzar el objetivo sin provocar el retorno de los humos es necesario alcanzar la llamada velocidad crítica, que depende de la potencia del incendio, la geometría y la pendiente del túnel. Habitualmente se emplea la siguiente ecuación simplificada para el cálculo de la velocidad crítica del aire:. donde:. ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ gHQ Vc = K 1 ⋅ K 2 ⎢ ⎥ ⎞⎥ Q ⎢ ρ C A⎛⎜ ⎟ + T∞ ⎟⎥ ⎢ ∞ p ⎜ ρ ∞ C p AVc ⎝ ⎠⎦ ⎣. 1 3. (2.1). - Vc es la velocidad crítica (m·s-1). - K1 y K2 son constantes según la geometría. - g es la aceleración de la gravedad (m·s-2). - H es la altura del túnel (m). - Q es la potencia calorífica del incendio (W). - A es el área de la sección transversal del túnel (m2). - Cp es el calor específico del aire (J·kg-1·K-1). - ρ y T son la densidad (kg·m-3) y temperatura a temperatura ambiente (K).. Por lo general, gracias a los ensayos realizados en el Memorial Tunnel se sabe que para el caso de un túnel con una pendiente ligeramente inferior al 4% y un incendio de 100 MW, la velocidad necesaria para evitar el retorno del humo aguas arriba del incendio es de 3 m/s8. GONZALO DOMINGO CALVO. 21.

(24) ESTADO DEL ARTE En 1987, PIARC señalaba que es necesario un sistema de ventilación capaz de obtener velocidades entre 3 y 6 m/s, ya que la velocidad crítica en incendios de turismos es de 1-2 m/s, en autobús o camión 2-3 m/s y en cisterna es de 5-8 m/s. Además, es necesario tener en cuenta que algunos de los ventiladores pueden resultar dañados durante el incendio, por lo que esto ha de estar previsto durante el dimensionamiento.. 2.3.5.3. Túnel bidireccional o con tráfico denso Cuando el túnel es bidireccional o con tráfico unidireccional denso no es posible expulsar la nube de humos ya que los usuarios se encuentran retenidos a ambos lados del incendio, por lo que en estos casos se recomienda una actuación en dos fases: - Mantenimiento de los humos en las secciones próximas al incendio mediante la reducción de la velocidad en el interior del túnel. - Una vez evacuado el túnel, expulsar los humos a alta velocidad por una de las bocas, como en el caso de túnel unidireccional con tráfico fluido. Sin embargo, lograr una correcta actuación en este tipo de situaciones es realmente complejo ya que tanto el estado inicial (ventilación, intensidad y composición del tráfico, etc.) como las condiciones de diferencia de presiones entre bocas y el efecto chimenea debido a la flotabilidad de los gases calientes generan corrientes de aire variables a lo largo del tiempo; por lo que no es un proceso tan sencillo como desconectar los sistemas de ventilación. Por este motivo existen severas restricciones a la utilización de la ventilación longitudinal en este de túneles cuando su longitud es importante recomendándose la disposición de sistemas de extracción de humos.. 2.3.5.4. Sistemas semitransversal y transversal El objetivo del sistema de ventilación es mantener a los usuarios del túnel en la zona de aire fresco el mayor tiempo posible. Tradicionalmente, cuando el sistema estaba basado en pequeñas aberturas en el techo para extraer los humos situadas a lo largo del túnel, esto significaba mantener intacta la estratificación de la capa de humos. Cada vez más se está tendiendo a situar aberturas de grandes dimensiones a distancias del orden de 50 a 100 metros, de tal forma que el sistema se comporte como un sumidero donde se debe centrar la máxima capacidad de extracción en las cercanías del incendio. Para ello se disponen trampillas telecomandadas sobre las que se puede actuar desde el centro de control. Actualmente existen dos teorías divergentes acerca del principio general a adoptar en sistemas de ventilación de tipo semitransversal. Así, mientras en Francia se es partidario de una extracción de 110 m3/s centrada alrededor del foco repartida en 600 metros empleando trampillas medias (en torno a los 2 m2) y vigilando el control de la corriente longitudinal, los técnicos suizos o austriacos proponen elevados caudales de extracción a través de una o dos trampillas de grandes dimensiones sin cuidarse especialmente de la posición respecto al foco y fiando la adherencia al techo a una fortísima capacidad de extracción.. 22. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(25) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO En cualquier caso, en los sistemas de ventilación semitransversales reversibles es fundamental reducir el tiempo de inversión del sistema de la fase de inyección de aire fresco a la de extracción de humos. Por este motivo las tendencias normativas actuales pasan por la penalización de este tipo de sistemas. En definitiva los condicionantes básicos a la hora de definir las pautas de actuación son: - Concentración de la zona de extracción en 600 metros alrededor del foco. - Confinamiento de la nube de humos: este aspecto se refleja en la obtención de una velocidad del aire a cada lado del foco dirigida hacia él. - Reducción, en la medida de lo posible, de la velocidad del aire en las cercanías del foco. Sin embargo, estos criterios generales pueden ser complementados con otros como: - Consideraciones particulares para incendios próximos a las bocas (donde puede ser más recomendable soplar hacia el exterior). - Limitación de la potencia eléctrica consumida. - Limitación de la extensión de túnel llena de humo, etc.. 2.3.5.5. Sistema longitudinal con extracción Como alternativa interesante a la ventilación longitudinal existe el mismo sistema pero incorporando un sistema de extracción de humos en forma de abertura de grandes dimensiones o a lo largo de una zona mediante pequeñas trampillas situadas en el techo.. 2.4. MODELOS NUMÉRICOS DE VENTILACIÓN (PERMANENTE Y TRANSITORIO) Existen diferentes modelos desarrollados para estudiar la ventilación en túneles en caso de incendio, a continuación se llevará a cabo una breve descripción de los más relevantes para el presente trabajo: el modelo en régimen permanente, cuyo principal objetivo es el dimensionamiento de los sistemas de ventilación; y el modelo en régimen transitorio, utilizado por el software CAMATT y que analiza la variación de diferentes parámetros (temperatura, velocidad del aire, etc.) en el interior del túnel para comprobar que la solución en régimen permanente es la correcta.. 2.4.1. MODELO EN RÉGIMEN PERMANENTE Se trata de un modelo unidimensional, muy apropiado para el estudio de ventilaciones longitudinales. El objeto del modelo es dimensionar la ventilación del túnel en caso de incendio en régimen permanente y se fundamenta en la ecuación de equilibrio:. 𝑆·. ∆𝑃𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 + ∆𝑃𝑠𝑖𝑛𝑔 + ∆𝑃𝑒𝑚𝑏 + ∆𝑃𝑣𝑒𝑛𝑡 + ∆𝑃𝑏𝑜𝑐𝑎𝑠. = 𝑚∙. 89: 8;. (2.2). donde : - ΔPfricción : Pérdida de carga debido a la fricción del aire con las paredes del túnel (Pa) - ΔPsing : Pérdidas de carga debido a singularidades del túnel (Pa). GONZALO DOMINGO CALVO. 23.

(26) ESTADO DEL ARTE - ΔPémbolo : Pérdidas de carga debido al efecto émbolo (Pa). - ΔPvent : Presión debida al empuje de los ventiladores (Pa). - ΔPbocas : Diferencia de presión entre bocas, incluyendo en este término a la diferencia de presión por efectos atmosféricos y la diferencia de presión por efectos térmicos (Pa). - S : Área de la sección transversal del túnel (m2). - va : Velocidad del aire en el interior del túnel (m/s). El modelo se caracteriza por: - El término correspondiente a la variación de la velocidad es nulo debido a que se trata de un modelo en régimen permanente. - Durante el servicio, la puesta en marcha de los ventiladores viene determinada por las mediciones de CO y opacidad, cuya concentración depende de las emisiones de los vehículos que circulan por el túnel y la velocidad del aire en el mismo. De manera que si se incrementan las emisiones de los vehículos, se producirá un aumento de la concentración que ha de ser contrarrestada con el encendido de un mayor número de ventiladores que aumenten la velocidad del aire y permitan la disolución. - La relación entre el número de ventiladores encendidos y la velocidad del aire en el túnel (sistema longitudinal) o el aporte de aire fresco (sistema semitransversal) es función de las pérdidas por rozamiento en el túnel, el efecto émbolo de los vehículos y la diferencia de presión entre bocas. - En los momentos previos al incendio, es decir, durante el servicio, la velocidad del aire seguirá una distribución que permita mantener la concentración de contaminantes bajo unos límites. Sin embargo, durante el desarrollo del incendio, tal velocidad ha de ser disminuida en las cercanías del foco para permitir que los usuarios puedan evacuar a mayor velocidad que la nube de humos. - El cálculo en régimen permanente considera el escenario más desfavorable, en el que todos los coches están parados y la temperatura dentro del túnel es estable.. 2.4.2. MODELO EN RÉGIMEN TRANSITORIO A partir del accidente, el fenómeno es transitorio, donde las temporalidades son introducidas por la parada progresiva de vehículos detrás del obstáculo, la evolución del incendio y las propias actuaciones desde el centro de control de la ventilación9. En este caso el modelo unidimensional también es de gran utilidad ya que su relativa simplicidad y su bajo coste computacional permiten realizar diferentes estudios de los que se puede extraer una línea de actuación en caso de accidente real. La velocidad del aire de ventilación en el interior del túnel se calcula para cada instante de tiempo admitiendo como hipótesis que los efectos de la compresibilidad pueden despreciarse y combinando las ecuaciones del movimiento para cada sección suponiendo. 24. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(27) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO la continuidad de la presión y el caudal. Así el movimiento de la columna de aire se describe mediante la ecuación de equilibrio: <=(;) <;. =. @ A. ·. ∆B(;) C. (2.3). donde: - W : función W(t), velocidad del aire en el interior del túnel (m·s-1). - 𝜌 : densidad del aire (Kg·m-3). - P(t) : término que aúna el conjunto de efectos presentes: pérdidas por fricción y singularidades del conducto; efecto émbolo de los vehículos que circulan por el interior del túnel; presión que suministran los equipos de ventilación; efecto chimenea inducido al elevarse la temperatura media en el interior del túnel; efectos del viento y diferencias de presión entre bocas. Además de la ecuación anterior, el modelo numérico unidimensional para el cálculo de la ventilación longitudinal en régimen transitorio se basa en la resolución de la ecuación de convección-difusión en derivadas parciales:. ∂ c(t) ∂ c(t) · ∂ 2 c(t) = - W(t) +q+D ∂t ∂x ∂ x2. (2.4). donde: - c : función c(x,t) que representa la concentración del contaminante. - q : fuente o sumidero de contaminante. - D : constante de difusión (m2·s-1). El segundo miembro de la ecuación está compuesto por tres términos: El primero es el término convectivo, típico en los problemas de arrastre debido a la velocidad del aire en el interior del túnel. El segundo incluye el efecto de las fuentes y sumideros de contaminación, y representa la generación del contaminante por metro lineal de túnel. Ello implica que c se supone uniformemente distribuida en cada sección transversal. En este sentido cabe considerar que los resultados serán conservadores en las proximidades del foco donde el efecto térmico predomina y, dada la gran altura del túnel, el contaminante se concentra cerca de la bóveda permitiendo una zona con aire respirable a la altura de las personas que escapan del emplazamiento del accidente. El último término representa la difusión de la contaminación en el medio fluido entre puntos de distinta concentración, dando lugar a una velocidad de difusión que sigue una ley semejante a la de D’Arcy en los procesos de filtración en medios porosos es decir:. 𝑉8 = −𝐷 · 𝑔𝑟𝑎𝑑[𝑐]. (2.5). Donde D es el coeficiente de difusión y el signo negativo indica que la velocidad es contraria al sentido del gradiente de la concentración (grad[c]); es decir, la concentración se difunde desde los valores más altos a lo más bajos. Este término será despreciado frente los otros dos términos analizados. Por lo tanto, la ecuación se simplifica a: GONZALO DOMINGO CALVO. 25.

(28) ESTADO DEL ARTE. <K <;. + 𝑉8. <K <L. =𝑞. (2.6). Las variaciones de presión (términos de la ecuación de equilibrio ∆𝑃) se calculan en cada instante de tiempo evaluando los términos debidos al efecto émbolo, diferencias de presión atmosféricas, rozamiento, efecto chimenea, empuje de los ventiladores, etc. La evolución de la temperatura del aire aguas abajo del fuego depende de los intercambios de calor entre el fuego, las paredes y el aire que fluye. El calor generado por el incendio se convierte en: - La radiación directa a las paredes, que corresponde aproximadamente a una tercera parte de la energía total liberada. - La transferencia de calor al aire del túnel que condiciona la temperatura aguas abajo del foco, según:. T=. Qa +T ρ0 ⋅ C p ⋅ S ⋅ W o. (2.7). Mientras que el calor perdido por el aire a las paredes por convección a lo largo de una longitud l de túnel viene dado por:. qconv = hc ⋅ ΔH ⋅ l ⋅ (T − Tp ). (2.8). y las pérdidas a las paredes por radiación vale:. qrad = ε ⋅σ 0 ⋅ F ⋅ p ⋅ l ⋅ (T 4 − To 4 ). (2.9). donde 𝜀 es la emisividad de la pared, F es el factor de forma entre paredes y aire y p es el perímetro de la sección transversal. El efecto de la temperatura del aire en las pérdidas de carga se expresa como un incremento lineal con la velocidad del aire al tener en cuenta que la presión dinámica es igual a:. ρ 2. W2 =. ρ ⋅ S ⋅W 2S. ⋅W. (2.10). y el efecto chimenea se puede expresar de la forma:. ∆𝑃KO = 𝜌P · 𝑔 · 𝑖 · 𝑙 1 −. ST SU VSW. 𝑙𝑜𝑔. SU SW. (2.11). donde TA y TB son dos secciones a una distancia l y una pendiente i. El proceso numérico resuelve la ecuación de equilibrio acoplándola con la ecuación de conservación de energía que permite obtener la evolución de las temperaturas. El incendio se modeliza como una fuente de calor puntual y el transporte de energía se produce en dirección longitudinal teniendo en cuenta el gasto másico de aire que circula y el calor que por convección y radiación se disipa por el revestimiento del túnel.. 26. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES (UPM).

(29) ESTUDIO DE LAS CONDICIONES DE SEGURIDAD EXISTENTES EN UN TÚNEL CARRETERO EN CASO DE INCENDIO. Como opciones adicionales, para facilitar los cálculos, se pueden introducir la definición de la geometría del túnel, los datos hidráulicos requeridos para los cálculos de empujes y por lo tanto el cálculo del aire de ventilación en el interior del túnel. Por otra parte, permite la definición de las condiciones de tráfico, la distribución del tráfico por carriles y sentidos de circulación, en definitiva una gran variedad de situaciones imaginables.. GONZALO DOMINGO CALVO. 27.